作者：Littelfuse, Inc. 電子業(yè)務(wù)部全球市場(chǎng)經(jīng)理 Todd Phillips

盡管智能手機(jī)和其他移動(dòng)設(shè)備的無(wú)線充電普及率正在迅速增長(zhǎng)，但充電電纜不太可能很快完全消失。這是因?yàn)橛芯€充電為某些用戶(hù)提供了優(yōu)于無(wú)線充電的顯著優(yōu)勢(shì)——主要是有線充電提供了更快的充電速度。

由 USB 實(shí)施者論壇 (USB-IF) 制定的 USB 供電 (USB-PD) 和USB Type-C 連接器和電纜組件規(guī)范是最新一代有線充電解決方案的核心。USB 電力傳輸規(guī)范通過(guò)提供更靈活的電力傳輸以及通過(guò)單根電纜的數(shù)據(jù)來(lái)實(shí)現(xiàn) USB 的最大功能。

符合 USB-PD 和 USB Type-C 規(guī)范的快速充電器和電纜可支持高達(dá) 100 W 的充電功率水平。根據(jù)所涉及的設(shè)備，這意味著它們可以比無(wú)線充電器更快地為手機(jī)或其他設(shè)備充電。帶有足夠長(zhǎng)電纜的有線充電器還允許用戶(hù)在充電時(shí)繼續(xù)與他們的設(shè)備進(jìn)行交互，這對(duì)于我們這些手機(jī)上癮的人來(lái)說(shuō)是一個(gè)主要優(yōu)勢(shì)。

盡管這些優(yōu)勢(shì)對(duì)用戶(hù)來(lái)說(shuō)很重要，但對(duì)于設(shè)計(jì)人員來(lái)說(shuō)，考慮與電纜到設(shè)備連接處的電源和溫度管理相關(guān)的安全問(wèn)題也同樣重要。如果沒(méi)有適當(dāng)?shù)?a href="http://m.makelele.cn/v/tag/167/" target="_blank">電路設(shè)計(jì)（包括溫度監(jiān)控），電纜和連接器會(huì)在連接內(nèi)部積聚污染物，導(dǎo)致它們快速升溫，這很容易損壞或破壞電纜和移動(dòng)設(shè)備。

USB Type-C 有線充電的基礎(chǔ)知識(shí)在任何充電系統(tǒng)中，三個(gè)單獨(dú)的項(xiàng)目必須協(xié)同工作——被充電的設(shè)備、數(shù)據(jù)線和充電器。USB Type-C（或 USB?C）電纜具有一個(gè)或多個(gè)對(duì)稱(chēng)（因此是可逆的）24 針連接器。USB?C 充電器的一端有一個(gè) AC 插頭（用于插入墻上插座），另一端有一根帶有 USB?C 連接器的電纜（用于插入要充電的設(shè)備）或 USB?C 輸出端口，用于插入 USB-C 電纜。

從安全角度來(lái)看，USB?C 電纜必須能夠承載適當(dāng)?shù)碾妷汉?a href="http://m.makelele.cn/tags/電流/" target="_blank">電流。對(duì)于帶有固定電纜或固定電纜的充電器，電纜必須能夠處理充電器的最大電壓輸出。每端帶有 USB?C 插頭的電纜必須能夠處理 21 V 和至少 3 A。包含特殊電子標(biāo)記 IC 的電纜可以承載 5 A 電流。放置在電源路徑中的任何設(shè)備，尤其是保護(hù)設(shè)備，也必須能夠承受這些電壓和電流水平。

USB?C 充電損壞的來(lái)源USB?C 連接器的針腳間距為 0.5 毫米，比 USB Type-A 連接器中的 2.5 毫米針腳間距要小得多。這種更緊密的間距顯著增加了可能導(dǎo)致熱事件的故障風(fēng)險(xiǎn)。當(dāng)連接器插針變形或灰塵、金屬顆粒、頭發(fā)或其他碎屑卡在 USB?C 電纜連接器中時(shí)，可能會(huì)在電源線到地之間產(chǎn)生電阻故障。這些電阻性故障會(huì)導(dǎo)致危險(xiǎn)的溫升，而電流的增加幅度很小。據(jù)報(bào)道，電纜和設(shè)備都受到損壞，甚至發(fā)生火災(zāi)（圖 1）。

圖 1：USB?C 連接器中的電阻性故障會(huì)損壞電纜和正在充電的設(shè)備。

保護(hù) USB 電纜免于過(guò)熱的傳統(tǒng)方法包括在 V BUS電源線上放置一個(gè)聚合物正溫度系數(shù) (PPTC) 設(shè)備或一個(gè)小型斷路器（也稱(chēng)為熱熔斷器） 。所選設(shè)備將放置在連接器內(nèi)的印刷電路板上，以感應(yīng)電阻故障產(chǎn)生的溫升。

然而，在試圖抵御高達(dá) 100 W 的情況下使用這種方法可能會(huì)給設(shè)計(jì)工程師帶來(lái)挑戰(zhàn)。在電源路徑中添加保護(hù)裝置的缺點(diǎn)之一是，它的電阻，即使只是幾毫歐的電阻，也會(huì)導(dǎo)致有意義的功率損耗，使制造商更難以滿足強(qiáng)制性的效率要求。

USB?C 連接器的封閉空間也使得難以在內(nèi)部安裝保護(hù)設(shè)備。適用于保護(hù) 60-W 充電器的 PPTC 通常具有 1210 (3.2 × 2.5 mm) 的占位面積，小型斷路器通常更大。旨在保護(hù) 100 W 的 PPTC 和小型斷路器需要更大。此外，小型斷路器的機(jī)械結(jié)構(gòu)相對(duì)較弱，電纜組裝過(guò)程有可能使構(gòu)成它們的雙金屬材料變形，這將阻止它們?cè)诩訜峁收掀陂g提供保護(hù)。

新位置的新保護(hù)裝置解決這些缺點(diǎn)的一種方法是將不同類(lèi)型的保護(hù)裝置放置在 USB?C 連接器的通信通道 (CC) 中，而不是 V BUS線上。為保護(hù) USB?C 電纜免受過(guò)熱條件影響而開(kāi)發(fā)的最新設(shè)備之一是緊湊型 (2.0 × 1.2 mm) PolySwitch setP 數(shù)字溫度指示器（圖 2）。setP 設(shè)備感應(yīng)到溫度升高，然后“提醒”系統(tǒng)關(guān)閉電源。

圖 2：PolySwitch setP 數(shù)字溫度指示器有助于防止 USB-C 插頭過(guò)熱。它們的設(shè)計(jì)符合 USB Type-C 的規(guī)格，甚至可以幫助保護(hù)最高級(jí)別的 USB 供電。

它是這樣工作的：一個(gè) setP 數(shù)字溫度指示器放置在連接器的 CC 線上，當(dāng)它感應(yīng)到高于 100°C 的溫度時(shí)，它會(huì)從低電阻狀態(tài)切換到高電阻狀態(tài)。這種升高的電阻導(dǎo)致 CC 線上的電壓增加到超過(guò) USB 實(shí)施者論壇 (USB-IF) 定義的值，以確定源和接收器是否分離。

充電系統(tǒng)假定由于電壓高于規(guī)范中規(guī)定的值，電纜已脫落，因此充電系統(tǒng)通過(guò) V BUS線關(guān)閉電源。這可以防止連接器、電纜和正在充電的設(shè)備過(guò)熱。一旦用戶(hù)斷開(kāi)電纜并清除連接器上的碎屑，電纜就可以恢復(fù)正常運(yùn)行。

憑借緊湊的 0805 (2.0 × 1.2 mm) 尺寸，setP 設(shè)備比過(guò)去用于此應(yīng)用的大多數(shù)其他解決方案至少小 30%。它們剛性的物理結(jié)構(gòu)還使它們能夠可靠地承受現(xiàn)代電纜組裝和成型操作。它們非常適合用于 USB-C 充電電纜、USB Power Delivery 充電電纜和帶有固定 USB Type-C 電纜的充電器。

結(jié)論USB?C 電纜為用戶(hù)提供了一種快速、簡(jiǎn)單的方式來(lái)為移動(dòng)設(shè)備充電和傳輸數(shù)據(jù)。現(xiàn)在，隨著溫度指示新解決方案的開(kāi)發(fā)，他們可以確信該過(guò)程也將保持更安全。

審核編輯 黃昊宇